CURSO: INTRODUÇÃO AO PLANEJAMENTO E OPERAÇÃO DE LAVRA

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1 CURSO: INTRODUÇÃO AO PLANEJAMENTO E OPERAÇÃO DE LAVRA (A CÉU ABERTO E SUBTERRÂNEA) II Etapa Operações e Métodos de Lavra a Céu Aberto (12 horas-aula) Universidade Corporativa Chemtech Professores: Cláudio Lúcio Lopes Pinto Prof. Associado, Dr. Universidade Federal de Minas Gerais José Ildefonso Gusmão Dutra Prof. Associado, Dr. Universidade Federal de Minas Gerais Setembro de 2008 Departamento de Engenharia de Minas - EEUFMG Rua Espírito Santo, 35 Sala Belo Horizonte, MG

2 CURSO DE INTRODUÇÃO AO PLANEJAMENTO E OPERAÇÃO DE LAVRA PROGRAMA Pág. 1. Histórico Desenvolvimento Preparação e limpeza do terreno Abertura de acessos Remoção de solo e cobertura vegetal Preparação de bota-fora Recuperação da superfície Métodos de Lavra a Céu Aberto Método de Lavra em Bancadas Sequência de desenvolvimento Ciclo de operações Condições de utilização Método de Lavra por Tiras Sequência de desenvolvimento Ciclo de operações Condições de utilização Método de Lavra de rochas ornamentais Sequência de desenvolvimento Ciclo de operações Condições de utilização Considerações Geométricas Ângulo da Face da Bancada Altura da Bancada Largura da Bancada Ângulo de Talude Operações unitárias (desmonte, carregamento e transporte) Desmonte mecânico Desmonte a explosivo Perfuração para o desmonte Princípios de penetração na rocha Métodos de perfuração (mecânicos) Custos de perfuração Dimensionamento de perfuratrizes Explosivos Propriedades dos explosivos

3 Explosivos comerciais Desmonte com explosivos Mecanismos de ruptura da rocha por detonação de explosivo Variáveis de controle dos desmontes Otimização econômica do desmonte a explosivo Controle da bancada Meio-ambiente Planejamento e projeto de desmonte Desmonte em bancada Carregamento Princípios Tipos de equipamento de carregamento Seleção de equipamentos de carregamento Transporte Princípios Tipos de equipamento de transporte Seleção de equipamentos de transporte Operação e manutenção dos equipamentos Operação Manutenção Operações Auxiliares Salubridade e segurança Controle de poeira Controle de ruídos Prevenção de acidentes Controle ambiental Proteção da água e do ar Deposição de rejeito Controle do terreno Estabilidade de taludes Controle de erosão do solo Controle da água Drenagem da mina Drenagem de taludes Rebaixamento do lençol Estradas Tipos Projeto Construção Características do pavimento Drenagem Manutenção Construção de rampas e acessos Equipamentos Introdução aos equipamentos de desmonte mecânico Descrição e locomoção dos equipamentos

4 9.3. Seleção de equipamento de escavação Equipamento de mina: Operação e alocação Disponibilidade, utilização e produtividade de equipamento Tempos e movimentos elementares Ciclo Tempo de ciclo mínimo e efetivo Produção por equipamento Rendimento de operação ou fator de eficiência Estimativa de produção dos equipamentos Unidades escavo-empurradoras (tratores de lâmina) Tempos, ciclo mínimo e produção Unidades carregadoras (pás-mecânicas) Tempos fixos e variáveis Ciclo Produtividade Unidades transportadoras Condições de sincronismo Tempos de ciclo de transporte (fixos e variáveis) Alocação Localização da frente Manutenção dos equipamentos Manutenção mecânica Manutenção corretiva e preventiva Oficinas de manutenção Otimização de Operações de Lavra Sistemas de equipamentos Escala de produção Capital da mina e custos operacionais Custos e estimação de custos Avaliação de mina Bibliografia

5 II Etapa Operações e Métodos de Lavra a Céu Aberto 1. Histórico A mineração é a atividade mais primitiva do homem, juntamente com a agricultura. Desde os tempos pré-históricos ela tem sido essencial para a existência do homem, fornecendo materiais para combustível, abrigo e obtenção de alimento. O grande impacto dos produtos de mineração para o homem pode ser evidenciado pelo fato dos antropólogos terem relacionado os grandes períodos da história a atividades de mineração: Paleolítico (idade da pedra lascada), Neolítico (idade da pedra polida), idade do Bronze ( AC no oriente e AC na Europa) e idade do Ferro, após a idade do bronze. Depois sucederam a era do Aço (1780 a 1945) e a era Nuclear (a partir de 1945). Hoje em dia o padrão de vida dos povos do mundo muitas vezes é comparado na base do consumo per capita de vários metais. Muitos acontecimentos importantes na história da humanidade ocorreram em função da busca de minerais: a viagem de Marco Pólo à China, de Vasco da Gama à África e à Índia, a descoberta do novo continente por Colombo e a moderna corrida do ouro que conduziu à colonização da Califórnia, África do Sul, Austrália, Canadá etc.. Também é possível associar os minerais e a mineração com a ascensão da civilização Grega, a expansão do império Romano na Espanha, em Portugal e na Grã- Bretanha, a conquista das Américas pelos Portugueses, Espanhóis, Franceses e Ingleses e a colonização da África e parte da Ásia, todas elas motivadas pela cobiça por riquezas minerais. Para entender as práticas modernas na indústria mineral, por exemplo, é necessário ter conhecimento da evolução da tecnologia de mineração, que tem um paralelo com a própria evolução do homem e o avanço da civilização. EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS DE DESMONTE Início da mineração - Paleolítico ( anos) Inicialmente, extraía-se material em bruto a partir de escavações à superfície Posteriormente (Pedra polida), mineração subterrânea com aberturas de 0,6 a 0,9m de diâmetro e cerca de 9m de profundidade Eram empregados métodos rudimentares de controle de terreno, ventilação, içamento, iluminação e fragmentação da rocha A princípio, metais eram extraídos na sua forma nativa 5

6 Na Idade do bronze o homem desenvolveu técnicas de fundição e aprendeu a reduzir minérios à forma de metal ou ligas Mineiros primitivos - mãos - implementos de madeira - osso - pedra - e, posteriormente, metais Evolução do sistema social mineração mais organizada trabalho escravo sob supervisão Improvisação de implementos - cunha e malho - cestas para transporte de rocha e água - escadas e molinetes para transporte - iluminação com candeias ou outras lâmpadas O primeiro grande tratado só foi publicado em 1556 por Georgius Agricola, com o título "De Re Metalica", somente traduzido para o inglês em Quebra do material rochoso grande desafio tecnológico. Ferramentas rudimentares como osso, madeira e pedra faziam fendas na rocha, abertas através de cunhas. Mas também o fogo era utilizado para aquecer a pedra, a qual depois sofria um choque térmico ao ser atacada por água fria. Dentre as grandes descobertas do gênero humano, aquelas relativas à arte e à ciência da fragmentação da rocha são de fundamental importância, as quais foram as primeiras a vencer dificuldades tecnológicas em mineração. 2. Desenvolvimento Uma vez feito o planejamento da lavra, a partir dos resultados da exploração, o depósito deve ser preparado para a lavra. Essa preparação consta basicamente da abertura de acessos, construção de infra-estrutura necessária, remoção de capeamento e drenagem. A duração dessa fase é muito variável, dependendo principalmente do método de lavra adotado. Na lavra subterrânea é necessária uma preparação mais demorada. Na lavra a céu aberto, o desenvolvimento depende do projeto, podendo ser feito todo antes 6

7 do início da lavra, como também a exploração pode iniciar-se juntamente com o desenvolvimento. Com o desenvolvimento, inicia-se a mineração propriamente dita. Nessa fase, os acessos para o depósito são feitos pela remoção do capeamento ou pela escavação de aberturas subterrâneas para dar acesso a depósitos profundos. No primeiro caso, as operações de desenvolvimento e extração do bem mineral constituem a mineração a céu aberto. No segundo caso, a mineração subterrânea. Em ambos os casos, determinados trabalhos preliminares são necessários, tais como obtenção de direitos minerários e financiamento, aberturas de estradas de acesso, fontes de energia, instalações de tratamento do minério e área de deposição de rejeitos, devendo preceder a mineração propriamente dita. O desenvolvimento envolve todos os passos necessários para colocar uma mina em plena escala de produção. Esses passos incluem planejamento, projeto, construções etc. O desenvolvimento é iniciado após o estudo de viabilidade econômica que é conduzido com base nos resultados da pesquisa mineral e sucessivas atualizações, com mais e melhores informações obtidas durante as sucessivas fases do projeto. Na mineração a céu aberto, as operações de desmonte, carregamento e transporte do capeamento geralmente são semelhantes àquelas utilizadas na lavra. O desenvolvimento na mineração subterrânea geralmente é mais complexo e envolve maiores recursos financeiros. A lavra ou explotação é associada com a recuperação do bem mineral. As operações de lavra compreendem o desmonte, o carregamento e o transporte do minério. E nelas são utilizados diversos tipos de equipamento. Embora os trabalhos de desenvolvimento necessariamente continuem durante a lavra, a maior ênfase, nessa fase, é dada à extração do minério. O método de mineração escolhido para a lavra é determinado principalmente pelas características do depósito mineral e pelos limites impostos pelas considerações tecnológicas, econômicas e de segurança. Condições geológicas, tais como mergulho, forma do depósito e resistência do minério e da rocha encaixante são fatores decisivos na seleção do método. Pela finalidade do curso, somente a mineração a céu aberto será considerada. Portanto, toda abordagem feita a seguir está voltada para a lavra a céu aberto. O desenvolvimento compreende todos os passos necessários para colocar uma mina em plena escala de produção. Isto inclui planejamento, projeto, construção etc. O principal propósito do desenvolvimento é criar condições para a extração do bem mineral. Para isso, durante o desenvolvimento, uma série de etapas devem ser executadas, de modo a tornar possíveis as operações de lavra Preparação e limpeza do terreno Antes de iniciar a fase de lavra, o desenvolvimento deve ser conduzido de modo a preparar a infra-estrutura da mina. Nessa fase, devem ser feitos os trabalhos preparatórios, as instalações, admissão e treinamento de pessoal e serviços de suporte para a mineração. Como trabalho preparatório são feitas a limpeza do terreno, a abertura de acessos e a remoção do capeamento. 7

8 Durante a preparação para a lavra, pode ser necessário alterar o sistema de drenagem da área ou fazer rebaixamento do lençol. Outro aspecto que tem ganhado relevância é a remoção da cobertura vegetal, que tem sofrido sérias restrições por parte das leis do meio ambiente. A preparação e a limpeza do terreno são feitas com três propósitos: a) construção de instalações industriais para tratamento de minério, oficinas, escritórios etc.; b) preparação da área a ser lavrada; c) preparação de áreas para deposição de rejeitos. A preparação do terreno para construção de instalações consta basicamente da remoção parcial da cobertura vegetal e serviços de terraplenagem. Na área a ser lavrada, deve ser feita a remoção da cobertura vegetal, limpeza do terreno e adequação do sistema de drenagem. Nas áreas de disposição de estéril também deve ser feita a remoção da cobertura vegetal e limpeza do terreno Abertura de acessos Os acessos ao depósito mineral dependem fundamentalmente do tipo de transporte a ser utilizado na remoção do capeamento e na lavra do minério. Quando o transporte não é feito por caminhões, os acessos têm a finalidade de transporte de pessoal e equipamentos. Nesse caso, os acessos não demandam projetos especiais. Quando o transporte é feito por caminhões, os acessos devem ser projetados adequadamente em função das características do caminhão utilizado. No projeto dos acessos, deve ser buscada a menor distância entre os dois extremos ligados pela estrada, desde que sejam considerados os parâmetros de projeto, tais como rampa máxima, raio mínimo de curvatura, características do piso etc. Um estudo bem elaborado para o projeto dos acessos pode representar uma significativa redução de custos operacionais Remoção de solo e cobertura vegetal A remoção de solo e da cobertura vegetal normalmente é feita com tratores de lâmina (bulldozer). Quando a espessura do solo é pequena e o relevo acidentado, essa operação torna-se trabalhosa, obrigando o trator a transportar o material a distâncias não recomendáveis. Quando a espessura é considerável, o desmonte é feito em bancada, o que possibilita uma melhor organização dos trabalhos e acessos. Nos solos, o desmonte é feito por tratores que formam pilhas de material que é carregado em caminhões por pás-carregadeiras. Os equipamentos utilizados nessas operações são diferentes daqueles utilizados no desmonte da rocha sobrejacente e do minério. Isso tem conduzido à "terceirização" dessas operações, uma vez que, em termos de volume de serviço, é bastante inferior ao volume de desmonte em rocha. Muitas vezes, isso inviabiliza a admissão e o treinamento de pessoal e a aquisição de equipamento específico para a execução dessas tarefas. 8

9 2.4. Preparação de bota-fora Durante o estágio de desenvolvimento da mina a céu aberto, pilhas para disposição de estéril e barragens de rejeitos são alocadas com o propósito de recuperação ambiental. Áreas separadas de bota-fora são feitas para deposição de solos de cobertura, solo, rocha, bem mineral de baixo teor ou potencial minério e rejeitos da mina de beneficiamento, possibilitando o manuseamento separado e recuperação dos mesmos, se necessário. A seleção do local de bota-fora deve ser feita de modo a evitar sua interferência nas operações de produção e auxiliares. Independentemente disso, ela deve estar fora da área lavrável. O projeto de ambientes adequados para deposição de rejeitos é sem dúvida uma das principais tarefas durante o desenvolvimento na maioria das minas a céu aberto, particularmente quando extração mecânica é utilizada e pode constituir um problema ambiental de rejeito sólido. Capeamento e outros materiais de rejeito associados ao depósito mineral minerado devem ser escavados, transportados e depositados num tal lugar em que venha a interferir minimamente nas operações de produção Recuperação da superfície A mineração a céu aberto altera completamente a topografia da superfície da terra. Além disso, destrói a vegetação original e altera as características dos solos. Quando havia abundância de terrenos agriculturáveis e não havia equipamentos de grande porte, as áreas afetadas não eram tão consideradas em termos de degradação do meio ambiente. Mas com o crescente aumento populacional e o consequente aumento da demanda por minerais, associados à evolução dos equipamentos, as áreas afetadas pela mineração passaram a ter muita significação para o meio ambiente. A legislação cada vez mais exigente tem condicionado os projetos de mineração a buscarem uma recuperação da área degradada. Essa recuperação não visa restabelecer as condições anteriores à lavra, mas criar condições de aproveitamento da área da melhor forma possível para agricultura, indústria, habitação ou recreação. Outra preocupação na recuperação das áreas de mina é quanto aos lençóis subterrâneos e à drenagem na superfície. 3. Métodos de Lavra a Céu Aberto mundo. A mineração a céu aberto é aplicada para a extração de recursos minerais: - a partir da água e sedimentos de rios, lagos, mares e de oceanos - por meio da circulação de soluções através de rochas fraturadas, rochas alteradas e de solos - a partir da escavação de rochas e solos na superfície do terreno A mineração a céu aberto responde pela maior parte da produção mineral no 9

10 Considerando a importância da reabilitação da área utilizada para mineração, uma vez que tais atividades provocam distúrbios no meio ambiente, os métodos de extração têm sido adaptados de modo a provocar o mínimo impacto possível. Além disso, paralelamente ao processo de extração deve-se buscar a reabilitação da área desde o início da lavra. Com o encerramento das atividades de mineração esse processo de reabilitação deve ser continuado até adequar a área ao seu novo uso, proposto no projeto inicial do empreendimento. Os métodos de lavra a céu aberto são classificados em: Mecânicos - lavra em bancadas (open pit mining) - lavra por tiras (open cast mining) e - lavra de rochas ornamentais (quarrying) Aquosos - placer - sucção hidráulica - dragagem - dissolução - furo de sonda - lixiviação A seguir serão abordados os métodos mecânicos de extração Método de Lavra em Bancadas O método de lavra em bancadas (open pit mining) utiliza o desmonte em bancadas simples ou múltiplas para retirar o capeamento e o bem mineral. O bem mineral economicamente viável é transportado para a usina de beneficiamento e o capeamento, juntamente com parte do bem mineral que não é economicamente viável, são transportados para a área de disposição de rejeitos. Trata-se de um método de larga escala altamente mecanizado Sequência de desenvolvimento Os principais passos na seqüência do desenvolvimento deste método são descritos a seguir. Após a limpeza do terreno e remoção da cobertura vegetal, as instalações da mina e da usina de beneficiamento são demarcadas e construídas. Particularmente importante no desenvolvimento de uma mina a céu aberto, em bancada, é a locação das áreas de disposição de estéreis e rejeitos bem como da usina de beneficiamento. Por causa do alto grau de mecanização e da mobilidade requeridos, o traçado e a manutenção das estradas é particularmente importante para possibilitar acesso adequado às frentes de lavra, às áreas de disposição de rejeitos e à usina de beneficiamento, Figura

11 Fig Vista de uma lavra a céu aberto (Fonte: HARTMAN, 1987) Ciclo de operações As operações de lavra consistem normalmente na perfuração, desmonte, escavação, carregamento e transporte. Quando o desmonte é feito mecanicamente, sem a utilização de explosivos, não é utilizada a fase de perfuração. Como equipamentos de perfuração são utilizadas perfuratrizes percussivas, percussivo-rotativas ou rotativas (tri-cone-bit). No desmonte a explosivos são utilizados, principalmente, explosivos a base de nitrato de amônio. Na escavação e carregamento podem ser usadas escavadeiras, retro-escavadeiras, pás-carregadeiras, drag-lines, tratores, scrapers etc. O transporte pode ser feito por caminhões, correia transportadoras, skips etc. Neste método de lavra, os equipamentos utilizados na remoção do capeamento podem ser ou não os mesmos utilizados para a lavra do minério. A escolha dependerá das características do minério e do capeamento Condições de utilização As condições naturais, espaciais e geológicas do depósito para a utilização deste método são as seguintes: Resistência do minério e do estéril: qualquer Forma do depósito: qualquer, mas de preferência lenticular ou tabular Mergulho: qualquer, preferencialmente horizontal Tamanho: grande e espesso Vantagens - alta produtividade - baixo custo de lavra, comparativamente com outros métodos 11

12 Desvantagens - alta razão de produção - possibilidade de produção de minério com pouco desenvolvimento - boa recuperação na lavra - baixa diluição e - boas condições de salubridade e segurança - altos investimentos iniciais, associados a equipamentos grandes - danos à superfície que podem exigir recuperação e - condições climáticas podem prejudicar as operações 3.2. Método de Lavra por Tiras Este método utiliza operações bastante semelhantes àquelas usadas na lavra a céu aberto por bancadas, diferindo, basicamente, na forma de deposição do estéril. O estéril não é transportado para uma pilha de disposição de rejeitos (bota-fora), mas lançado diretamente numa área adjacente, cujo minério já foi extraído. As operações de lavra, neste caso, consistem na escavação e transporte/lançamento, combinados numa única operação e, normalmente, realizados por um único equipamento. Outras vezes parte do capeamento é lançado diretamente na área adjacente já lavrada e parte (solo de cobertura) é armazenada em pilhas para posterior recomposição da cobertura vegetal, Figura 3.2. Fig Método de lavra por tiras (Fonte: HARTMAN, 1987) A principal característica deste método é apresentar alta produtividade e custo de lavra dos mais baixos entre todos os métodos. 12

13 Não é apenas a substituição do transporte pelo lançamento que tornam este método atrativo. A deposição direta do capeamento extraído em áreas já lavradas possibilita que o avanço da remoção do capeamento, em relação à lavra, seja consideravelmente pequeno. Sendo assim, é possível concentrar as atividades de lavra numa área relativamente pequena, realizando a recuperação do terreno imediatamente após a lavra. Outra vantagem da lavra por tiras é que os taludes ficam expostos por um período de tempo menor, o que permite trabalhar com ângulos maiores. Considerando os custos de lavra, normalmente, a lavra por tiras apresenta custos mais baixos. Entretanto, as características dos depósitos para a lavra por tiras devem satisfazer determinadas condições: o corpo deve ser tabular e as espessuras do minério e do capeamento não podem exceder determinados limites. Tais espessuras podem inviabilizar este método de lavra tanto técnica como economicamente. Observando-se estas considerações, verifica-se que o método por bancadas é bem mais versátil que o método por tiras; porém, quando as condições assim permitirem devese buscar viabilizar economicamente sua utilização Sequência de desenvolvimento O desenvolvimento da mina se dá pela remoção da cobertura vegetal. A seguir, o solo orgânico é removido e armazenado em pilhas, para posterior recuperação do terreno. Como este solo pode reduzir sua fertilidade com o tempo de armazenamento, atualmente, tem-se buscado elaborar uma seqüência de operações de modo a possibilitar a utilização direta desse solo. Isto é feito cortando o solo orgânico e depositando-o diretamente na região já lavrada e preenchida com o material estéril. Assim sendo, o terreno é quase integralmente recuperado inclusive sua fertilidade. Uma vez removido o solo, o material rochoso do capeamento é desmontado mecanicamente ou a explosivos, conforme suas características. A escavação e lançamento do material são feitos numa única operação, sendo o mesmo depositado na faixa lateral onde o minério já foi extraído. Após ter sido exposto, o minério é extraído usando-se, normalmente, equipamentos diferentes daqueles empregados para a remoção do capeamento. Na lavra do minério é comum ser utilizado escavadeira ou pás-carregadeiras e caminhões, enquanto na remoção do capeamento, são utilizadas drag-lines ou retroescavadeiras. Quando o capeamento e o minério são de fácil escavação pode-se empregar motoscrapers no capeamento e na lavra Ciclo de operações Como na lavra por bancadas, utiliza-se a perfuração e o desmonte a explosivos ou escavação mecânica, em função do estado de agregação do material. Após ter sido desagregado, o material do capeamento é retirado por drag-line, retroescavadeira ou moto-scraper e lançado na faixa lateral já lavrada. A espessura máxima de capeamento admitida neste método pode requerer múltiplos passos para a sua retirada. Uma vez exposto o minério, sua lavra pode ser iniciada em bancada única ou múltipla, conforme sua espessura e o porte do equipamento utilizado. O desmonte do 13

14 minério é feito de acordo com o estado de agregação do minério. Quando não é possível escavar mecanicamente, utiliza-se explosivo. O material desagregado por explosivo é carregado em caminhão por meio de escavadeira ou pá-carregadeira. No caso do desmonte mecânico, a escavação é feita por trator, escavadeira ou pá-carregadeira e carregado em caminhão para o transporte. Somente o transporte por caminhão está sendo considerado pelo fato de ser o mais largamente utilizado. Outros sistemas de transportes empregados na lavra não apresentam a mesma versatilidade do caminhão. Entretanto, quando são viabilizados, apresentam custos menores do que aqueles do transporte por caminhão Condições de utilização Resistência do minério e encaixante: qualquer Forma do depósito: tabular e horizontal Tamanho do depósito: grande extensão lateral, contínuo e espessura pequena a moderada Profundidade: baixa (limite econômico é baseado na razão de extração e na capacidade do equipamento) Vantagens Desvantagens - alta produtividade - baixo custo de lavra, menor custo de lavra entre os métodos (custo relativo de 10% considerando custo de rochas ornamentais igual a 100%) - alta razão de produção - a lavra pode ser iniciada com pouco desenvolvimento - possibilidade de utilização de equipamentos grandes - baixo custo de desmonte - desenvolvimento simples - boa recuperação, diluição baixa - normalmente elimina transporte de estéril e - boas condições de salubridade e segurança - o limite econômico do método e o limite técnico dos equipamentos impõem limite de profundidade (< 90m) - condições climáticas podem impedir operação de lavra e - requer cuidados especiais no sequenciamento das operações 14

15 3.3. Método de Lavra de rochas ornamentais Esse método consiste de uma sequência de operações para a produção de blocos prismáticos de rocha, tais como granito, mármore e ardósia. Os blocos, após sofrerem transformação, são utilizados na construção de edificações e monumentos, como decoração e revestimento de interiores e exteriores. A lavra de rochas ornamentais pode apresentar bancos com face vertical que alcançam até 60m de altura. A profundidade total pode alcançar até 300m, Figura 3.3. O material útil é retirado de modo altamente seletivo empregando-se métodos caros e de baixa produtividade. A lavra de rochas ornamentais apresenta o maior custo entre todos os métodos de lavra. Em contrapartida, essa lavra é uma das que agrega maior valor ao produto. Fig Diagrama de operações em lavra de rochas ornamentais (Fonte: HARTMAN, 1987). As principais características que tornam um depósito de rochas ornamentais economicamente viável são as de natureza física, destacando-se cor, aparência, competência, uniformidade e ausência de imperfeições (descontinuidades) Sequência de desenvolvimento Após a limpeza da superfície, a planta de processamento e as instalações de suporte necessárias são construídas adjacentes à mina. Ao invés de planta de concentração do bem mineral, as operações realizadas nessas plantas têm como finalidade dar acabamento aos blocos por meio de operações de corte e polimento. O início da lavra se dá com a remoção da cobertura e deposição em área próxima da cava. 15

16 A parte da rocha não aproveitada, que necessita ser retirada, como também o capeamento, são removidos por método convencional de extração (mecanicamente ou a explosivos). A rocha economicamente aproveitável é extraída em blocos ou chapas, por meio de cortes realizados por fios helicoidais ou adiamantados, discos adiamantados, jatos de chama ou de água, cortadoras de correia ou furos paralelos que são interligados por uma fenda aberta pela ação de cunhas ou explosivos. Os procedimentos e técnicas de corte dependem do tipo de rocha, do produto final desejado e dos equipamentos utilizados na lavra e no beneficiamento Ciclo de operações As operações empregadas na remoção do capeamento e da rocha não aproveitável economicamente são semelhantes àquelas empregadas na lavra a céu aberto convencional. Entretanto, a utilização de explosivos em rochas ornamentais, ou próximo delas é bastante indesejável. Quando não for possível deixar de usar explosivos, cuidados especiais devem ser tomados na utilização dos mesmos. No corte dos blocos é necessário liberar as seis faces que delimitam o bloco. Para isso, podem-se utilizar várias técnicas de corte ou aproveitar algum plano de descontinuidade onde, obrigatoriamente, o bloco se parte. Isso muitas vezes, pode inutilizar o bloco. No caso específico da ardósia, o plano de acamamento é aproveitado realizandose o corte somente em quatro faces verticais para delimitar a placa. Após ter sido liberada, a placa é deslocada por cunhas metálicas e removida por empilhadeira. A técnica descrita acima é exatamente aquela empregada na mineração de ardósia na área considerada. De um modo geral, a lavra de rochas ornamentais utiliza outros tipos de equipamentos para o corte da rocha, tais como: fio adiamantado, fio helicoidal, jato de chama, jato de água, roçadeira, furos paralelos etc Condições de utilização Resistência do bem mineral e encaixante: qualquer Forma do depósito: tabular ou maciço; grande extensão horizontal Mergulho: qualquer, preferencialmente horizontal Uniformidade do bem mineral: uniforme Profundidade: baixa a moderada Vantagens - Baixo investimento de capital: mecanização limitada e não sofisticada - Pode ser realizado em pequenos depósitos, entretanto, nesses casos, pode ter a escala de operações limitada - Acesso relativamente fácil, principalmente quando pode ser feito içamento - Geralmente apresenta boa estabilidade de taludes e 16

17 Desvantagens - Boas condições de saúde e segurança - profundidade limitada pela alta relação estéril/minério - produtividade muito baixa - custo de lavra muito alto (custo relativo de 100%) - baixa razão de produção - baixa recuperação e - método de lavra muito seletivo 3.4. Considerações Geométricas As bancadas podem ser consideradas como as unidades fundamentais de extração nas operações de lavra a céu aberto. Algumas características básicas como: crista, pé, largura, face, altura e ângulo da bancada são apresentadas na Figura 3.4. CRISTA Largura da Bancada Altura da Bancada Pé Talude ou Face Ângulo do Talude Fig Desenho esquemático de uma bancada com seus elementos Deve-se salientar a existência de diferentes tipos de bancadas. Por exemplo, podem-se citar as bancadas que têm como função aparar os materiais que, por ventura, rolarem de bancadas superiores, as bancadas ou bermas de segurança ou cacth benchs e as bancadas de trabalho, ou praças, onde ocorre efetivamente o processo de lavra. Diversos fatores influenciam as dimensões dos elementos apresentados acima. Alguns aspectos importantes na determinação da geometria das bancadas podem ser enumerados: 17

18 Características do depósito: Volume, teor e distribuição etc. Escala de produção: Toneladas de minério e estéril produzidas. Seletividade na lavra e necessidade de blendagem. Equipamentos utilizados nas operações de lavra: Função básica da escala de produção. considerações sobre estabilidade dos taludes Relação estéril/minério. Custos operacionais vs. custos de investimento Ângulo da Face da Bancada Os ângulos das bancadas são mantidos, geralmente, com a maior inclinação possível. Os limites aqui são relacionados, basicamente, as condições de estabilidade. Em rochas competentes valores entre 55 O e 80 O são tipicamente encontrados. É importante ressaltar que os ângulos das bancadas podem ter uma grande influência no talude final da cava Altura da Bancada A Altura da bancada é determinada, normalmente, em função da altura máxima de escavação do equipamento utilizado na operação de carregamento. É importante observar a possibilidade de escavação de taludes negativo quando utilizada esta altura máxima de escavação (i.e. escavadeiras shovels e hidráulicas). Esta situação poderia representar riscos para a própria operação de carregamento ou para as operações subsequentes. Valores de altura de bancada variam de cinco metros, para pequenos depósitos de ouro, por exemplo, até aproximadamente quinze metros, em grandes operações de lavra. Com os avanços tecnológicos dos equipamentos, a perfuração, hoje, praticamente, não impõe limites à altura da bancada. O exemplo da Figura 3.5, mostra uma escavadeira hidráulica com capacidade de 13 a 27.5 m 3 (17-36 yd 3 ). A altura máxima de escavação é de 15 metros. Observando condições mais rígidas de segurança esta altura poderia ser considerada aproximadamente 11 metros. 18

19 Largura da Bancada Fig. 3.5 Dimensões da escavadeira hidráulica Além das bancadas ou bermas de segurança é comum, nas operações de lavra de grande porte, a utilização de leras de proteção nestas bancadas. Estas leras são formadas por pilhas de material fragmentado, depositado junto a crista destas bermas formando assim uma barreira para retenção de material proveniente de deslizamento. Alguns valores recomendados para a determinação da geometria das bancadas, são indicados na Figura

20 Altura da Bancada Dimensões de Segurança (metros) Altura das Leras Área de Impacto Largura das Leras Largura Mínima da Berma 15 3,5 1,5 4 7,5 30 4,5 2 5, Ângulo de Talude Fig. 3.6 Dimensões recomendadas para a bancada Diversos ângulos de taludes podem ser observados em uma operação de lavra a céu aberto, como por exemplo o próprio ângulo da face das bancadas. Portanto é importante que se determine a direção ou plano do talude de maneira inequívoca. Definese aqui como a direção do talude uma linha que liga o pé e crista das bancadas de referência, e sua inclinação como o menor ângulo entre esta direção e um plano horizontal. Considerando-se o exemplo abaixo, que apresenta bancadas com as mesmas características geométricas, teríamos: 20

21 Fig. 3.7 Elementos do Talude O ângulo do talude (β) pode ser definido como: ou: Altura Total β = Tan 1 Comprimento Total β = Tan 1 4( A B ) ( ) ( ) B + 4 D 3 L onde D é definido a partir da geometria da bancada como: e finalmente: β = Tan A D = Tan 1 3 L B ( α) 4( A ) B 4 ( ) ( A B ) B + Tan( α) 21

22 Durante o processo de lavra, rampas de acesso ou bancadas em lavra (praças) poderão estar presentes na situação mostrada anteriormente. A introdução desta modificação na condição acima traz algumas alterações no valor do ângulo do talude geral. Para uma rampa com largura igual ao dobro da largura das bermas a figura apresentada acima ficaria: Fig. 3.8 Talude alterado por inserção de estrada De maneira geral a formulação para determinar o ângulo do talude geral da cava poderia ser então escrito da seguinte forma: β = Tan 1 3 L ( ) B 4 ( A ) B ( ) ( ) 4 A B + LR α + Tan Aqui L R representa a largura da rampa. Considerando-se agora a largura das bermas e da rampa iguais a 10 metros e 20 metros respectivamente, a altura das bancadas igual a 15 metros e ainda, o ângulo da face das bancadas igual a 75 O os valores obtidos para o ângulo do talude geral para a situação sem a presença da rampa (b s ) e com a presença da rampa (b c ) seriam, respectivamente: 22

23 β s 4 10 = Tan 1 3( 10) + Tan 75 ( ) 4( 15) o ( ) β o s = 39 β c 4 10 = Tan 1 3( 10) + Tan 75 ( ) 4( 15) + 20 ( ) o o β c = Operações unitárias (desmonte, carregamento e transporte) A mineração como um todo envolve um conjunto de aspectos que visam, basicamente, à descoberta do bem mineral, à sua avaliação, à criação de condições para sua extração e à sua extração propriamente dita. Fases da mineração - prospecção - exploração - desenvolvimento - lavra Ciclo de produção - operações unitárias - desmonte - carregamento - transporte Funções - quebra da rocha - movimentação de materiais Mecanismos de fragmentação - rochas brandas (equipamentos mecânicos) - rochas mais resistentes (desmonte a explosivo) Ciclo Básico de Produção Perfuração + Desmonte + Carregamento + Transporte 23

24 Mas apesar da natureza cíclica das operações de lavra ser bastante comum hoje em dia, o aperfeiçoamento da indústria mineral tende a progredir de uma tecnologia essencialmente intermitente (cíclica) para um processo contínuo. Os equipamentos de carregamento devem estar adequadamente especificados e dimensionados de acordo com o tipo de material, com a produção desejada e com o tipo de equipamento de transporte. A caçamba do equipamento de carregamento deve ser dimensionada em função do britador para controlar o tamanho do maior bloco a ser admitido no britador. O equipamento de carregamento deve ser dimensionado também em função do equipamento de transporte para evitar operações inadequadas e número de ciclos excessivos. Deve-se evitar a formação das pilhas muito espalhadas, que acarreta aumento no ciclo de carregamento. Outro critério importante é o grau de seletividade na lavra. Os materiais que constituem os maciços rochosos possuem determinadas características físicas em função de sua origem e dos processos geológicos posteriores que atuam sobre eles. O conjunto desses fenômenos produz no maciço uma litologia particular com heterogeneidades devidas à forma dos agregados policristalinos e às descontinuidades da matriz rochosa. Do ponto de vista geomecânico, tais fenômenos conduzem a um estado de tensão característico, com um grande número de descontinuidades estruturais, tais como: planos de estratificação, fraturas, diáclases etc.. As propriedades dos maciços rochosos que mais influenciam no planejamento de desmonte são: a- As resistências dinâmicas das rochas b- O espaçamento e orientação das descontinuidades c- A litologia e potência dos maciços d- A velocidade de propagação de ondas e- As propriedades reológicas dos maciços f- O tipo de superfície e abertura das descontinuidades g- O grau de anisotropia e heterogeneidade dos maciços etc. A determinação desses parâmetros por métodos diretos ou de laboratório torna-se muito difícil e cara, uma vez que as amostras ensaiadas nem sempre contêm as descontinuidades e as mudanças litológicas do maciço rochoso que elas representam. Para obter uma amostra representativa seria necessário que ela tivesse dimensões cerca de dez vezes superiores à distância média entre descontinuidades. Não obstante, constituem um complemento na caracterização dos maciços rochosos que se deseja desmontar. Atualmente, as técnicas de caracterização geomecânica mais aplicadas são: - sondagem com recuperação de testemunhos e ensaios geomecânicos - estudos estruturais dos sistemas de descontinuidades - perfilagem geofísica de furos de sondagem e furos para desmonte - coleta de dados, durante a perfuração para desmonte e tratamento dos mesmos 24

25 O monitoramento das perfurações para desmonte bem como a taxa de penetração fornecem importantes informações que podem ser utilizadas para a definição das malhas de detonação e das cargas específicas de explosivo. Vários trabalhos têm sido desenvolvidos visando aprimorar o monitoramento automático dos furos de detonação, correlacionando esses dados com as características dos bancos e com os resultados desejados dos desmontes. Métodos de desmonte Energia Método Agente ou máquina Química Explosão Alto explosivo Mecânica Fluido Elétrico Impacto Corte Impacto Escavação Corte de rocha Arco elétrico Martelo pneumático Trator de lâmina Rompedor hidráulico Monitor hidráulico Jato hidráulico Máquina de eletrofratura Tab Classificação dos métodos de fragmentação da rocha 4.1. Desmonte mecânico No desmonte mecânico utiliza-se de equipamentos como tratores e escavadeiras para desagregar o maciço rochoso. A capacidade de escavação é uma função do equipamento utilizado e das características do material escavado. Com a evolução dos equipamentos de escavação, tem sido possível escavar materiais cada vez mais consolidados, viabilizando-se assim o desmonte mecânico de materiais anteriormente desmontados somente com o uso de explosivos. Considerando-se os elevados custos do desmonte a explosivo, assim como os aspectos de segurança, tem-se procurado viabilizar cada vez mais o desmonte mecânico de materiais coerentes, através do desenvolvimento de equipamentos e técnicas. Quando é possível desmontar mecanicamente o maciço rochoso, as operações de desmonte e escavação são feitas de uma só vez, evitando-se as operações de perfuração e desmonte a explosivo. A escavação mecânica emprega ferramentas cortantes, como a faca da lâmina, os dentes da caçamba da escavadeira ou os dentes do escarificador, para romper a compacidade do solo ou do maciço rochoso, desagregando-o e tornando possível o seu manuseio. 25

26 4.2. Desmonte a explosivo Perfuração para o desmonte Perfuração da rocha - primeira operação - furos com distribuição e geometria adequadas - alojar as cargas de explosivo e seus acessórios iniciadores Tipos de operações - penetração na rocha - desmonte da rocha Penetração na rocha - por impacto - por corte - por atrito - por esmagamento Furo - processo mecânico - processo hidráulico - processo térmico Desmonte da rocha - quebra e fragmentação de grandes massas de material - energia química - energia mecânica - energia hidráulica - outras formas (em estudo) Princípios de penetração na rocha Os sistemas de penetração da rocha são: a- Mecânicos - Percussão - Rotação - Percussão-Rotação b- Térmicos - Sopro ou lança térmica - Plasma - Fluido quente - Congelamento c- Hidráulicos - Jorro d'água - Erosão - Cavitação 26

27 d- Sônicos - Vibração de alta frequência e- Químicos - Micro-desmonte - Dissolução f- Elétricos - Arco elétrico - Indução magnética g- Sísmicos - Raio laser h- Nucleares - Fusão - Fissão Sistemas mecânicos - impacto - atrito - esmagamento Formas de ataque - percussão - rotação Interação coroa-rocha - fragmentação da rocha - aplicação de força - campo de tensão - resistência da rocha à perfuração - penetração na rocha Furo - forma - tamanho - regularidade Modos de ataque da rocha - trituração (percussão) - lascamento (rotação) - ação híbrida (percussão-rotação) Fig Tipos de ações de perfuração no ataque mecânico da rocha (esq.) percussão, (cen.) corte, (dir.) combinação corte + percussão 27

28 Fatores influentes a- variáveis de operação - perfuratriz - haste - coroa - fluído Categorias: - potência da perfuratriz - energia - frequência do golpe - velocidade de penetração - empuxo - desenho da haste - propriedades do fluído - fluxo do fluído b- fatores de perfuração (variáveis independentes) - diâmetro - comprimento do furo - inclinação do furo c- fatores de perfurabilidade (variáveis independentes) (derivados do ambiente) - condições geológicas - estado de tensão - resistência à perfuração - limitam performance da perfuratriz d- fatores de serviço (variáveis independentes) - supervisão - potência do equipamento - local de trabalho - condições climáticas Métodos de perfuração (mecânicos) Percussivos (puros) - furos de pequenos diâmetros - perfuratrizes manuais - baixa produção - baixa produtividade Percussivo-rotativos - quase todo tipo de rocha - martelo fora do furo - martelo dentro do furo (down the hole) 28

29 Rotativos - trituração (esmagamento), empregando tri-cone-bits - rocha de dureza média a alta - por corte utilizando coroas especiais - rochas brandas Fig Campos de aplicação dos métodos de perfuração em função da resistência da rocha e diâmetro dos furos A perfuração percussivo-rotativa baseia-se na combinação das seguintes ações: a- percussão - impactos pelo golpe do pistão - ondas de choque - transmissão à coroa pelas hastes (martelo fora do furo) - transmissão direta sobre a coroa (martelo de fundo) b- rotação - giro da coroa - impactos em distintas posições c- empuxo - carga aplicada sobre a coroa - contato com a rocha d- fluido de circulação - refrigeração da coroa - extração dos detritos do fundo do furo Indentações (responsáveis pelo avanço do furo) a- Compressão das rugosidades da rocha pelo contato com a coroa 29

30 b- Aparecimento de gretas radiais a partir dos pontos de concentração de tensões e formação de uma cunha em forma de V c- Pulverização da rocha da cunha por esmagamento d- Quebra dos fragmentos maiores nas zonas adjacentes à cunha e- Evacuação dos detritos pelo fluido de circulação Fig Métodos de perfuração em trabalhos a céu aberto Fig Fases de formação de uma indentação 30

31 Coroas tri-cone-bits - desenvolvidas em até a década de 60, só eram usadas para rochas brandas ou de pouca resistência - atualmente competem com outros métodos para rochas duras Princípio de funcionamento da coroa tri-cone-bits: a indentação - penetração na rocha devido ao empuxo - trituração da rocha b esmagamento - movimento lateral dos cones (trituração e cisalhamento) - cisalhamento em rochas brandas - esmagamento da rocha pelo giro da coroa - formação de fragmentos de rocha Fig Coroa tri-cone-bits Custos de perfuração C + C + C + C VM + C + C A I M O E L C T = + C C 31

32 C T - Custo total de perfuração (UM/h) C A - Custo de amortização (UM/h) C I - Custos de taxas, impostos e seguros (UM/h) C M - Custo de manutenção e reparo (UM/h) C O - Custo de mão-de-obra (UM/h) C E - Custo de combustível ou energia (UM/h) C L - Custo de lubrificantes e filtros (UM/h) C C - Custo de acessórios de perfuração (UM/m) VM - Velocidade média de perfuração (m/h) Dimensionamento de perfuratrizes I. CLASSES DE PERFURATRIZES ROTATIVAS CLASSE MODELO Empuxo max. (kg) Capacidade (m) Diâmetro da coroa (mm) 229 mm BE-40R , mm 311 mm 381 mm GD-80 BE-45R IR-DM6 M-4 GD-120 BE-60R IR DM-7 M-5 GD-130 BE-61R II. MALHA TÍPICA PARA BANCOS DE 12,2 m (m x m) 16,8 16,8 9,8 16,8 19,8 19,8 9,8 16,8 20,1 19, ROCHA MACIA MÉDIA DURA CLASSE DE PERFURATRIZ (mm) ,2 x 9,1 7,3 x 8,2 6,4 x 7,3 9,1 x 10,0 8,2 x 9,1 7,3 x 8,2 10,0 x 11,0 9,1 x 10,0 8,2 x 9,1 11,0 x 12,2 10,0 x 11,0 9,1 x 10,0 III. MATERIAL AFETADO POR TURNO (ton. met.) ROCHA CLASSE DE PERFURATRIZ (mm) 32

33 MACIA MÉDIA DURA IV. RELAÇÃO DE PRODUÇÃO (m/turno) ROCHA MACIA MÉDIA DURA CLASSE DE PERFURATRIZ (mm) ,4 83,8 68,6 137,2 121,9 103,6 167,6 155,4 134,1 173,7 161,5 140,2 V. TEMPOS DE OPERAÇÃO UTILIZAÇÃO E DISPONIBILIDADE ITENS HORAS DIAS Calendário total Menos feriados por ano TEMPO DISPONÍVEL POSSÍVEL Menos tempo de manutenção e reparos TEMPO DE OPERAÇÃO DISPONÍVEL (Disponibilidade do equipamento) Menos restrições operacionais Menos mudanças de posição da perf. e outras paralisações Menos tempo gasto pelos operadores Tempo de viagem Lanches Outros Menos outros tempos de paralisações Lubrificação e inspeção Mudanças curtas Reparos Outros TEMPO TOTAL DE PERFURAÇÃO

34 Tempo Disponível possível - Tempo manutenção e reparos % Disponibilidade = 100 Tempo de operação disponível Tempo operação disponível - Restrições operacionais - Tempo de mudanças - Tempo de operadores - Outros % Utilização = 100 Tempo de operação disponível % Disponibilidade = 100 = 83% % Utilização = 100 = 64% 296 Horas de operação por turno = Utilização X N horas / turno Horas de operação por turno = 0,64 x 8 horas/turno = 5,1 horas/turno VI. AVALIAÇÃO DO NÚMERO MÍNIMO DE PERFURATRIZES CLASSE PRODUÇÃO (t/ano) MATERIAL AFETADO POR FURO (t/furo) N DE FUROS PERFURADOS METROS PERFURADOS POR FURO TOTAL DE METROS PERFURADOS RELAÇÃO DE PRODUÇÃO (m/turno) TURNOS DE OPERAÇÃO DE PERFURAÇÃO HORAS DE OPERAÇÃO POR TURNO HORAS DE PERFURAÇÃO N MÍNIMO DE PERFURATRIZES ,7 13,7 13,7 13, ,6 4408,8 5,1 103, 6 134, 1 140, ,3 5, , , ,5 5,1 7157, ,2 5,1 5600, Horas de perfuração Número mínimo de perfuratrizes = Tempo disp. possível Disp. Utiliz. VII. Custos de operação de perfuração 34

35 OPERADORES DIESEL REPAROS OUTROS BITS MACIO MÉDIO DURO CLASSE PERFURATRIZES (mm) ,50 4,05 30,00 3,90 7,06 10,25 11,47 34,50 4,80 34,50 5,15 11,47 14,90 17,33 34,50 5,60 39,75 5,55 16,18 22,00 25,88 34,50 6,90 45,75 8,25 19,00 25,98 30,67 (Custos horários perfurados + Ajudante + Indiretos) (50% Custos indiretos) Operadores = (Tempo de perfuração / 8 horas por turno) Operadores = ($ 14,66 + 0,5 x $ 14,66 ) / ( 5,1 / 8 ) = $ 34,50 CUSTOS DE COROAS / m MACIO MÉDIO DURO 0,39 0,62 0,85 0,43 0,62 0,85 0,49 0,72 0,98 0,56 0,82 1,12 Custo de coroa por horas de operação = m turno Custo coroa m 5,1horas operação turno VIII. CUSTOS ANUAIS DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO CLASSE DE PERFURATRI ZES MATERIAL PRODUÇÃO (t / ano) HORAS DE PERFURAÇÃ O OPERAÇÃO E MANUTENÇÃ O ANUAIS DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃ O 229 DURO DURO DURO DURO ,9 83, ,4 96, ,9 111, ,8 126,

36 Custos anuais de operação e manutenção = custos de operação e manutenção / horas x horas de perfuração IX. ANÁLISE ECONÔMICA CLASSE DE PERFURATRIZES N DE PERFURATRIZES CUSTO DE CAPITAL POR PERFURATRIZ ($) CUSTO TOTAL DE CAPITAL ($ x 10³) CC DEPRECIAÇÃO ( 10 ANOS ) ($ x 10³) D CUSTOS ANUAIS DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO ($ x 10³) CAOM CUSTOS ANUAIS DE FUXO DE CAIXA ($ x 10³) CAFC CUSTO TOTAL DE VALOR ATUAL DE FLUXO DE CAIXA A 12% EM 10 ANOS ($ x 10³) CTVAFC CAFC = (CAOM + D) (1 - Taxa ( 0,48 )) - D CTVAFC = CC + CAFC FVA FVA = n ( 1+ i) i( 1+ i) 1 n n tempo i taxa FVA = 10 ( 1+ 0,12) 0,12( 1+ 0,12) 1 10 = 5,65 X. NÚMERO DE PERFURATRIZES AJUSTADO (baseado em 2 horas de tempo de mudança por perfuratriz, por dia por escavadeira, considerando 6 escavadeiras) 36